JPH07181280A - 原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炉心システムの変更を最小限に抑えつつ、定
格運転時すなわち定格流量時および過渡時(特に低流量
時)の熱的余裕を増大させ、高燃焼度化し、出力密度を
増大させ、発電容量をスケールアップするのに好適な原
子炉を提供する。 【構成】 核分裂性物質を含む複数の燃料集合体を層状
に束ねた炉心と燃料集合体を冷却する冷却水と冷却水を
循環させるポンプと燃料集合体当たりの冷却水の流量を
調節する手段とを備えた原子炉において、炉心の最外層
に装荷される燃料集合体を除く燃料集合体を、高流量の
第一グループ２２と、第一グループ２２よりも燃料集合
体当たりの平均冷却水流量を小さくする流量調節手段を
備えた低流量の第二グループ２１とに分類し、しかも、
低流量の第二グループ２１を炉心の炉心半径に対し７０
％よりも外側の領域に装荷した原子炉。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉に係り、
特に、熱的余裕を増大させて発電容量を増やすととも
に、過渡特性および安定性を改善するに好適な原子炉炉
心の冷却水流量調節手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉(ＢＷＲ)の燃料集合体
は、『軽水炉』(秋山守著、同文書院刊)に記載のよう
に、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充てん
した燃料棒を正方格子状に多数束ね、外幅が約１４cmで
断面が正方形のチャネルボックスでカバーして構成され
る。炉心は、前記燃料集合体をさらに束ね、円柱状に配
置して形成される。燃料としては、濃縮ウランまたはプ
ルトニウムを富化したウランが酸化物の化学形態で使用
される。燃料棒は、核分裂により発熱するので、軽水を
ポンプで循環させ、燃料棒を冷却している。

【０００３】熱水力設計では、定格運転時だけでなく、
定格運転時から運転時の異常な過渡変化が起こった場合
にも、炉心内の９９.９％ 以上の燃料棒が沸騰遷移を起
こさないように、定格運転時における設計限界値が、定
められている。例えば、ポンプトリップなどにより炉心
の冷却水流量が低下した場合は、出力対流量比が定格運
転時に比べて高くなるため、一般に、定格流量時と比較
して、熱的には厳しい条件となる。そこで、過渡的低流
量時の熱的余裕の減少分を予め定格運転時に上乗せして
設計限界値を定め、十分な安全性を確保している。

【０００４】炉心の熱的余裕を増大させるには、 (１)定格運転時の熱的余裕を増大させる (２)定格運転状態からの異常な過渡変化時の熱的余裕の
減少を抑制する などの対策が考えられる。

【０００５】定格運転時には、燃料集合体の出力は、中
性子の漏洩が多い炉心の最外層で最も低くなる。そこ
で、従来技術では、上記(１)の対策として、この最外層
領域の冷却水入口オリフィス口径を、内側の領域に比べ
て小さくし、流入抵抗を大きくしている。その結果、炉
心最外層以外の領域すなわち燃料集合体出力が比較的高
い領域において冷却水の流量が増大し、定格流量運転時
の熱的余裕が確保されることになる。しかし、この対策
のみでは、上記(２)の対策についての配慮がなされてい
ない。

【０００６】冷却水入口オリフィス口径の調整に関して
は、さらに、特開昭61−029796号公報に記載された従来
技術がある。この従来技術においては、冷却水喪失事故
時に出力の高い燃料集合体での冷却水の流れが気液上昇
流となるように、最外層を除き炉心を２領域に分割し、
中央領域の冷却水入り口オリフィス口径を周辺領域より
大きくする。しかし、この従来技術では、定格運転時の
熱的余裕を最大にするという上記(１)の観点、また、定
格運転状態からの異常な過渡変化時の熱的余裕の減少分
を抑制するという上記(２)の観点からは、炉心領域の分
割および冷却水入口オリフィス口径の設定について、必
ずしも最適化されていなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来の原子炉
をより高性能化する方向として、経済性を向上させると
ともに使用済み燃料の発生量を削減するために、大幅な
高燃焼度化を図ることや発電容量を増大させることなど
が考えられる。

【０００８】しかし、高燃焼度化するには、燃料の濃縮
度を上げる必要があり、燃料集合体間の出力差は増大す
るすなわち燃料集合体出力の最大値が増大する傾向にあ
る。その結果、燃料集合体間の冷却水流量の差が従来以
上に拡大し、熱的余裕は、むしろ減少する傾向にある。

【０００９】この対策として、炉心体積を増大させ出力
密度を低減させることや、ポンプ容量を増やすことなど
が考えられるが、炉心システムの大幅な変更が必要とな
る。

【００１０】本発明の目的は、炉心システムの変更を最
小限に抑えつつ、定格運転時すなわち定格流量時および
過渡時特に低流量時の熱的余裕を増大させ、高燃焼度化
し、出力密度を増大させ、発電容量をスケールアップす
るに好適な原子炉を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、まず、熱的余裕の増大策を検討した。熱
的余裕を増大させるには、(燃料集合体の出力／燃料集
合体の冷却水流量)の比を小さくすることが基本的な方
針である。

【００１２】炉心最外層に装荷され燃料集合体出力の低
い燃料集合体の冷却水流量を低減する一方で、最外層よ
りも内側に装荷され出力の高い燃料集合体の冷却水流量
を高める従来の方法は、定格運転時すなわち定格流量時
にのみ、前記基本方針を実現している。

【００１３】前記基本方針を実現する他の対策として
は、炉心全体の冷却水流量を高める方法がある。この方
法では、定格運転流量時すなわち定格流量時だけでな
く、過渡時すなわち低流量時の熱的余裕も増大できる。

【００１４】しかし、この場合は、炉心の圧損だけでな
く、セパレータなどの系統圧損が増大するので、圧損を
低減させるために、炉心システムの変更が必要となる
か、ポンプの揚程または容量の増大が必要となる。

【００１５】さらに、低流量時の熱的余裕を増大には、
自然循環流量を増大させる方法も考えられるが、この方
法では、炉心システムの大幅な変更が必要となる。

【００１６】さて、炉心の出力分布については、通常、
定格流量時に平坦になるように装荷パターンや制御棒パ
ターンを調整している。しかし、低流量時の出力分布
は、必ずしも、定格流量時とは一致しない。

【００１７】そこで、発明者らは、この点に着目し、定
格運転時の熱的余裕を増大させるとともに、低流量時で
も平坦な出力分布を維持し、定格運転状態からの異常な
過渡変化時の熱的余裕の減少を抑制できるように、次の
ような炉心構成の原子炉を提案する。

【００１８】第１発明は、核分裂性物質を含む複数の燃
料集合体を層状に束ねた炉心と燃料集合体を冷却する冷
却水と冷却水を循環させるポンプと燃料集合体当たりの
冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉におい
て、(ａ)炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く燃
料集合体を、第一グループと、第一グループよりも燃料
集合体当たりの平均冷却水流量を小さくする流量調節手
段を備えた第二グループとに分類し、かつ、(ｂ)第二グ
ループを、炉心の炉心半径に対し７０％よりも外側の領
域に装荷した原子炉である。

【００１９】第２発明は、核分裂性物質を含む複数の燃
料集合体を層状に束ねた炉心と燃料集合体を冷却する冷
却水と冷却水を循環させるポンプと燃料集合体当たりの
冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉におい
て、(ａ)炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く燃
料集合体を、第一グループと、第一グループよりも燃料
集合体当たりの平均冷却水流量が小さくなるように冷却
水入口オリフィス抵抗の平均値に違いを持たせた第二グ
ループとに分類し、かつ、(ｂ)第二グループの冷却水入
口オリフィス抵抗の平均値を、第一グループの冷却水入
口オリフィス抵抗の平均値の１.５倍以上とした原子炉
である。

【００２０】第３発明は、第２発明の原子炉において、
第二グループの冷却水入口オリフィス抵抗の平均値を、
第一グループの冷却水入口オリフィス抵抗の平均値の５
倍以下とした原子炉である。

【００２１】第４発明は、第１ないし第３発明のいずれ
かの原子炉において、炉心の最外層に装荷される燃料集
合体当たりの平均冷却水流量を、第二グループの燃料集
合体当たりの平均冷却水流量よりもさらに小さくする流
量調節手段を備えた原子炉である。

【００２２】第５発明は、第１ないし第４発明のいずれ
かの原子炉において、(ａ)少なくとも第一グループに装
荷される燃料集合体を、第三グループと第三グループよ
りも炉内滞在期間の長い第四グループとに分類し、か
つ、(ｂ)第四グループの燃料集合体当たりの平均冷却水
流量を、第三グループの燃料集合体当たりの平均冷却水
流量よりも小さくする流量調節手段を備えた原子炉であ
る。

【００２３】第６発明は、核分裂性物質を含む複数の燃
料集合体を層状に束ねた炉心と燃料集合体を冷却する冷
却水と冷却水を循環させるポンプと燃料集合体当たりの
冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉におい
て、(ａ)炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く燃
料集合体を、第五グループと第五グループよりも装荷時
の平均濃縮度が高い第六グループとに分類し、かつ、
(ｂ)第五グループの燃料集合体当たりの平均冷却水流量
を、第六グループの燃料集合体当たりの平均冷却水流量
よりも小さくする流量調節手段を備えた原子炉である。

【００２４】第７発明は、第６発明の原子炉において、
炉心支持板の第五グループの燃料集合体を装荷する部分
で、第五グループの流量調節手段の開口部口径を、第六
グループの燃料集合体を装荷する部分よりも小さくした
原子炉である。

【００２５】第８発明は、第６または第７発明の原子炉
において、(ａ)炉心の最外層に装荷される燃料集合体を
除く燃料集合体を第一グループと、第一グループよりも
燃料集合体当たりの平均冷却水流量を小さくする流量調
節手段を備えた第二グループとに分類し、かつ、(ｂ)第
二グループを、炉心の炉心半径に対し７０％よりも外側
の領域に装荷した原子炉である。

【００２６】第９発明は、第６ないし第８発明のいずれ
かの原子炉において、炉心の最外層に装荷される燃料集
合体当たりの平均冷却水流量を、第五グループの燃料集
合体当たりの平均冷却水流量よりもさらに小さくする流
量調節手段を備えた原子炉である。

【００２７】第１０発明は、第１，第２，第３，第４，
第５，または第８発明のいずれかの原子炉において、炉
心支持板の第二グループの燃料集合体を装荷する部分
で、流量調節手段の開口部口径を、第一グループの燃料
集合体を装荷する部分よりも小さくした原子炉である。

【００２８】第１１発明は、第５発明の原子炉におい
て、炉心支持板の第四グループの燃料集合体を装荷する
部分で、流量調節手段の開口部口径を、第三グループの
燃料集合体を装荷する部分よりも小さくした原子炉であ
る。

【００２９】第１２発明は、第１，第２，第３，第４，
または第８発明のいずれかの原子炉において、第二グル
ープの燃料集合体で、流量調節手段として燃料集合体下
部に設けた冷却水入口オリフィス抵抗を、第一グループ
の燃料集合体よりも大きくした原子炉である。

【００３０】第１３発明は、第６，第８，または第９発
明のいずれかの原子炉において、第五グループの燃料集
合体で、流量調節手段として燃料集合体下部に設けた冷
却水入口オリフィス抵抗を、第六グループの燃料集合体
よりも大きくした原子炉である。

【００３１】第１４発明は、第５発明の原子炉におい
て、第四グループの燃料集合体で、流量調節手段として
燃料集合体下部に設けた冷却水入口オリフィス抵抗を、
第三グループの燃料集合体よりも大きくした原子炉であ
る。

【００３２】第１５発明は、第５，第１１，または第１
４発明のいずれかの原子炉において、炉心の最外層に装
荷される燃料集合体当たりの平均冷却水流量を、第四グ
ループの燃料集合体当たりの平均冷却水流量よりもさら
に小さくする流量調節手段を備えた原子炉である。

【００３３】第１６発明は、第６，第７，第８，第９，
または第１３発明のいずれかの原子炉において、炉心の
最外層に装荷される燃料集合体当たりの平均冷却水流量
を、第五グループの燃料集合体当たりの平均冷却水流量
よりもさらに小さくする流量調節手段を備えた原子炉で
ある。

【００３４】

【作用】オリフィス抵抗に差をつけるなどの方法によっ
て、出力の高い領域の燃料集合体には、多くの冷却水を
流すように、定格運転(流量)時の流量に分布をつけるこ
とができる。

【００３５】しかし、低流量時の流量分布は、オリフィ
ス抵抗によらず炉心全体でほぼ一様となる。したがっ
て、定格流量時に他の領域に比べて流量を減らした領域
の燃料集合体では、流量の変化が、他の領域に比べ小さ
くなるので、低流量時のボイド率の上昇幅も小さい。沸
騰水型原子炉のボイド係数は負であるから、ボイド率の
上昇とともに反応度は低下するが、この領域では、反応
度の低下幅も小さい。それらの結果、低流量時の燃料集
合体出力は、他の領域と比べて、相対的には増大する。

【００３６】定格運転(流量)時だけでなく、過渡(低流
量)時の熱的余裕を増大させるためには、上述の出力分
布の変動に留意しなければならない。すなわち、定格運
転(流量)時に出力が高い燃料集合体に記載の原子炉にお
いて、過渡(低流量)時の出力増を抑制することが重要に
なる。定格運転(流量)時に出力が高い燃料集合体として
は、 (１)炉心内側領域に装荷された燃料集合体 (２)炉内滞在期間の短かい燃料集合体 (３)装荷時の平均濃縮度が高い燃料集合体 がある。

【００３７】なお、従来技術である、炉心最外層のみ流
量を減らした炉心は、後述のように、低流量時の出力平
坦化の効果はない。

【００３８】一方、第１，第２，第３，第８，第１０，
第１２発明によれば、流量の低下とともに、第二グルー
プに属する燃料集合体の相対出力が増大し、比較的出力
の高い第一グループに属する燃料集合体の出力が減少す
るため、出力ピーキングが低減され、炉心の熱的余裕が
増大する。

【００３９】第５，第１１，第１４発明によれば、流量
の低下とともに、第四グループに属する燃料集合体の相
対出力が増大し、比較的出力の高い第三グループに属す
る燃料集合体の出力が減少するため、出力ピーキングが
低減され、炉心の熱的余裕が増大する。

【００４０】また、第６，第７，第９，第１３発明によ
れば、流量の低下とともに、第五グループに属する燃料
集合体の相対出力が増大し、比較的出力の高い第六グル
ープに装荷された燃料集合体の出力が減少するため、出
力ピーキングが低減され、炉心の熱的余裕が増大する。

【００４１】さらに、第４，第１５，第１６発明によれ
ば、上記作用に加え、定格運転(流量)時に比較的出力の
高い炉心内側に装荷された燃料集合体の流量が増加する
ため、炉心流量低下時だけでなく、定格運転(流量)時の
熱的余裕が増大する。

【００４２】図１６は、炉心半径方向のある位置の燃料
集合体で、燃料集合体当たりの平均冷却水流量が他の領
域のそれよりも少なくなるように、炉心入口抵抗を２倍
に調節した原子炉の炉心において、炉心流量が１００％
定格流量から定格流量の約１／３に減少した場合のチャ
ンネル出力ピーキングの変化を示す図である。図１６の
特性から、最外層のみの流量を減らした従来技術では、
出力ピーキングが増大し、低流量時の熱的余裕の増大に
は、効果がないことが分かる。

【００４３】その原因は、最外層の出力は低流量時に増
大するものの、もともとの出力が低いために、その増大
の効果は小さいこと、また、内側領域と最外層との中間
に位置する領域での出力が低下し、その結果、出力ピー
クが発生する内側領域の出力が増大することである。

【００４４】これに対して、全部で１７層の燃料集合体
からなる炉心の外側から第２層目ないし第５層目まで
(炉心半径の約７０％よりも外側の領域)に装荷された燃
料集合体の冷却水流量を減らした原子炉の炉心では、従
来技術とは逆に、低流量時に出力ピーキングが低減され
ることが分かる。その原因は、流量を減らした燃料集合
体の出力が最外層の燃料集合体に比べて高く、低流量時
にこの領域で出力が増大し、内側領域で出力が減少する
ことである。

【００４５】さらに、第６層目よりも内側(炉心半径の
約７０％以内の領域)の冷却水流量を減らした原子炉の
炉心では、低流量時に出力ピーキングが増大する。その
原因は、出力ピークが発生する領域の付近の定格運転
(流量)時に、既に出力が比較的高い燃料集合体で流量を
減らしているので、低流量時には、この領域でさらに出
力が増大することである。また、定格運転(流量)時の流
量を減らしたことから、限界出力比が低下するため、熱
的余裕を増大させることはできない。

【００４６】以上の考察によれば、定格運転(流量)時お
よび低流量時の熱的余裕を確保する観点からは、最外層
を除く炉心半径の約７０％よりも外側の領域の燃料集合
体の冷却水流量が、他の領域の燃料集合体の冷却水流量
よりも少なくなるように、炉心入口抵抗を調節すること
が有効であることがわかる。

【００４７】図１７は、最外層を除く外側領域すなわち
第２層目から第３層目(炉心半径の約８０％よりも外側
の領域)に装荷された燃料集合体の冷却水流量を減らし
て、出力の比較的高い内側領域に装荷された燃料集合体
の流量を増やすようにオリフィス抵抗に差をつけた原子
炉の炉心において、炉心流量が１００％定格流量から定
格流量の約１／３に減少した場合のチャンネル出力ピー
キングの変化を、外側／内側領域のオリフィス抵抗比の
関数として示す図である。図１７の特性から、上記外側
／内側領域のオリフィス抵抗比を、約１.５ 以上とした
ときに、出力ピーキングが、低流量時に低減されること
が分かる。また、その低減効果は、オリフィス抵抗比を
５以上とすると、漸減する傾向がある。

【００４８】図１８は、本発明による原子炉の定格運転
時の炉心出力ピーキング特性を示す図である。定格運転
(流量)時の限界出力比は、図１８に示すように、オリフ
ィス抵抗の外側／内側領域の比が５までは増大する。し
かし、オリフィス抵抗比が５以上の範囲では、オリフィ
ス抵抗が一様の場合と比べて、熱的余裕は改善される
が、その効果は減少することになる。流量を減らした領
域の燃料集合体で流量が過少となり、限界出力比が低下
するためである。

【００４９】したがって、定格運転(流量)時および低流
量時の熱的余裕を確保する観点からは、 (１)最外層を除く炉心半径の約７０％よりも外側の領域
の燃料集合体の冷却水流量が他の領域の燃料集合体流量
よりも少なくなるように、炉心入口抵抗を調節する (２)外側／内側領域のオリフィス抵抗比を１.５以上、
さらに、最大の効果を得るためには１.５〜５の範囲と
する と、有効であることが判明した。

【００５０】本発明は、現行の約３ｗｔ％のウラン濃縮
度をさらに高めて高燃焼度化を図る炉心または大型燃料
集合体を装荷する炉心などのように現行炉心に比べて出
力ピーキングが増大する炉心の熱的余裕の確保、さらに
は、出力密度の増大や流量制御幅の拡大をめざす炉心の
熱的余裕の確保には、特に有効である。

【００５１】

【実施例】図１は、本発明を適用すべき沸騰水型原子炉
の再循環系の概略の系統構成を示す図である。冷却水
は、従来の沸騰水型原子炉と同様に、冷却水１０３をポ
ンプ９９で加圧し、炉心９６に下方から注入する。流量
計９８により冷却水流量を測定し、運転サイクルを通じ
て、ほぼ一定の冷却水流量が保たれるように、制御装置
１０２およびインバータ電源装置１００によって、ポン
プ９９の回転数を制御する。ポンプ９９は、出力約８０
０ｋＷ，揚程約４０ｍの性能のものを１０台備えてい
る。各燃料集合体１０４内の冷却水流量は、冷却水入口
オリフィス１０５の抵抗すなわち炉心支持板開口部の口
径により調整される。

【００５２】図２は、図１の沸騰水型原子炉の炉心の構
成の一部を示す図である。燃料集合体１０４は、ジルカ
ロイの被覆管３０に濃縮ウラン酸化物からなる燃料を充
填した燃料棒３１を束ね、外幅約１４cmの角筒状のジル
カロイでできたチャンネルボックス３２で覆って構成さ
れている。約１.５cm の間隙をおいて隣接する燃料集合
体１０４の間には、余剰反応度を制御し、また、原子炉
を安全に停止させるために、炭化硼素を含む吸収棒３３
を束ねた十字型制御棒３４が挿入されている。燃料ペレ
ット３５の直径は約１０mm、燃料棒間隔は約１５mmであ
り、平均ウラン濃縮度は約４％である。従来に比べ、高
燃焼度化の観点から、平均ウラン濃縮度は高く設定され
ており、直径約１１mmの燃料棒３１が７４本，９行９列
に配列されている。平均取出し燃焼度は、約４５ＧＷｄ
／ｔである。

【００５３】《第１実施例》図３は、本発明による原子
炉の第１実施例の炉心の１／４について流量配分を示す
図であり、炉心半径方向の燃料集合体のオリフィス分布
を示している。最外層から数えて第２層から第３層まで
の領域すなわち低流量領域２１に装荷される燃料集合体
の入口オリフィスの圧損係数すなわちオリフィス抵抗
を、他の領域すなわち高流量領域２２に比べて大きくし
ている。この場合、低流量領域２１のオリフィス抵抗
は、高流量領域２２のオリフィス抵抗の３倍にしてあ
る。

【００５４】本実施例では、従来技術と比較して、低流
量時の出力ピーキングを約３％低減でき、それだけ熱的
余裕を増やせるとともに、ホットチャンネルの出力対流
量比が低減するので、炉心の安定性が高まる。また、定
格運転(流量)時は、外側の領域の流量を減らし、出力ピ
ークが発生する内側領域の流量を高めているため、やは
り熱的余裕の増大効果があり、流量制御幅の拡大や出力
密度の増大に活用できる。

【００５５】《第２実施例》図４は、本発明による原子
炉の第２実施例の炉心の１／４について流量配分を示す
図である。図４に示すように、最外層の燃料集合体のオ
リフィス抵抗を低流量領域１と同等に大きくすることが
考えられる。

【００５６】このようにすれば、低流量時の熱的余裕の
増大効果は第１実施例に劣るが、定格流量時の熱的余裕
をさらに増大できる。

【００５７】《第３実施例》図５は、本発明による原子
炉の第３実施例の炉心の１／４について流量配分を示す
図である。図５に示すように、最外層の燃料集合体のオ
リフィス抵抗を低流量領域２１よりもさらに大きくする
ことが考えられる。

【００５８】このようにすれば、低流量時の熱的余裕の
増大効果は第１実施例には及ばないが、定格流量時の熱
的余裕を一層増大できる。

【００５９】図６は、第３実施例の原子炉の炉心径方向
の流量分布を示す図である。第３実施例では、炉心最外
層のみ低流量領域とした従来技術に比べ、炉心外側の低
流量領域の定格流量時と低流量時の流量変化が小さくな
る。

【００６０】図７は、第３実施例の原子炉の炉心径方向
の出力分布を示す図である。低流量時には、炉心外側の
低流量領域の出力が上昇するため、径方向の出力分布は
平坦化される。

【００６１】《第４実施例》以上の実施例では、燃料集
合体の冷却水流量を減らす領域を半径方向のある領域と
して規定したが、燃料集合体の滞在期間や燃料製造時の
ウラン濃縮度によりグループ分けすることもできる。

【００６２】図８は、本発明による原子炉の第４実施例
の炉心の１／４について流量配分を示す図であり、炉心
の燃料装荷パターンとオリフィス抵抗分布とを示してい
る。図８において、数字は燃料集合体の滞在サイクル数
を示しており、数字が大きく滞在期間が長いものほど、
燃焼度が高く、反応度が低くなるため、出力も低くな
る。第４実施例では、第３実施例の内側の高流量領域の
オリフィス抵抗を、滞在サイクル数が大きい３および４
の燃料集合体で、滞在サイクル数が１，２のものの約３
倍としている。

【００６３】このようにすれば、滞在期間が短く出力の
高い燃料集合体における定格流量時から低流量時への流
量の低下幅が大きくなるため、第３実施例に比べて、一
層の熱的余裕の増大効果が得られる。

【００６４】《第５実施例》図９は、本発明による原子
炉の第５実施例の炉心の１／４について流量配分を示す
図であり、初装荷炉心のウラン濃縮度分布およびオリフ
ィス抵抗の分布を示している。図９に示した炉心は、高
濃縮度燃料集合体５(ウラン濃縮度約４％)と、中濃縮度
燃料集合体６(ウラン濃縮度約３％)と、低濃縮度燃料集
合体７(ウラン濃縮度約２％)とからなる。第５実施例で
は、燃料集合体のオリフィス抵抗を、低濃縮度燃料集合
体７で、高濃縮度燃料集合体５の約３倍としている。

【００６５】このようにすれば、出力の高い高濃縮度燃
料集合体５における定格流量時から低流量時への流量の
低下幅が大きくなるため、オリフィス抵抗をウラン濃縮
度によらずに一様とした場合と比べて、一層の熱的余裕
の増大効果が得られる。

【００６６】《第６実施例》図１０は、本発明による原
子炉の第６実施例の炉心の１／４について流量配分を示
す図である。第６実施例は、第５実施例の炉心におい
て、最外層の燃料集合体のオリフィス抵抗を低濃縮度燃
料集合体７よりもさらに大きくしている。

【００６７】このようにすれば、低流量時の熱的余裕の
増大効果は、第５実施例に及ばないが、定格流量時の熱
的余裕を一層増大できる。

【００６８】《第７実施例》図１１は、本発明による原
子炉の第７実施例の炉心の１／４について流量配分を示
す図である。第７実施例は、第５実施例において、第３
実施例と同様に、高流量領域と低流量領域と極低流量領
域を設けるとともに、低流量領域よりも内側の領域のオ
リフィス抵抗を、低濃縮度燃料集合体７で、高濃縮度燃
料集合体５の約３倍としている。

【００６９】このようすれば、出力の高い高濃縮度燃料
集合体５における定格流量時から低流量時への流量の低
下幅が大きくなるので、オリフィス抵抗を濃縮度によら
ずに一様とした場合と比べて、一層の熱的余裕の増大効
果が得られる。

【００７０】以上の実施例では、出力の高い燃料集合体
の流量が増えるため、炉心圧損は、従来技術に比べ増大
する傾向にある。この圧損低減策を熱的余裕の増大策と
組合わせた実施例としては、以下の第８実施例および第
９実施例ようなものが考えられる。

【００７１】《第８実施例》図１２は、本発明による原
子炉の第８実施例の炉心の１／４について流量配分を示
す図である。第８実施例では、制御棒を燃料集合体の両
側に挿入するＫ格子制御棒の高反応度価値特性を活用
し、炉停止余裕を確保しつつ、燃料集合体サイズを第２
実施例の約１.５ 倍に大きくしている。燃料集合体間の
水ギャップ幅は、第１実施例と同じ約１.５cm としてい
る。したがって、炉心体積を第１実施例と同等とするこ
とにより、燃料集合体内部の冷却水流路面積を増大させ
て、炉心圧損を低減できる。

【００７２】《第９実施例》図１３は、本発明による原
子炉の第９実施例の炉心の１／４について流量配分を示
す図である。第９実施例では、燃料集合体の内側に棒状
の制御棒を挿入するクラスター制御棒の高反応度価値特
性を活用し、炉停止余裕を確保しつつ、燃料集合体サイ
ズを第１実施例の約１.５ 倍に大きくしている。燃料集
合体間の水ギャップ幅は、第１実施例と同じ約１.５cm
にしている。この場合も、炉心体積を第１実施例と同等
とすることにより、燃料集合体内部の冷却水流路面積を
増大させて、炉心圧損を低減できる。

【００７３】《第１０実施例》図１４は、本発明による
原子炉の第１０実施例の炉心の１／４について流量配分
を示す図である。第１０実施例は、第２実施例の変形で
あり、最外層から数えて第１層から第２層までの領域
(低流量領域２１)に装荷される燃料集合体の入口オリフ
ィス抵抗を他の領域(高流量領域２２)に比べて大きくし
ている。すなわち、オリフィス抵抗は、低流量領域２１
では、高流量領域２２の約５．５倍としている。

【００７４】本実施例の外側領域は、第２実施例の場合
よりも狭くなっている。その結果、オリフィス抵抗の外
側／内側領域の比を５以上にすることが可能となった。
この場合も、上記図１７の特性から明らかなように、出
力ピーキングは、低流量時に低減される。したがって、
低流量時の熱的余裕の増大効果は第２実施例に及ばない
が、定格流量時の熱的余裕を増大できる。

【００７５】《第１１実施例》図１５は、本発明による
原子炉の第１実施例の炉心の１／４について流量配分を
示す図である。第１１実施例は、オリフィスの種類を増
大し、定格流量時の熱的余裕を増大させる例である。オ
リフィスの種類は５つであり、それぞれのオリフィス抵
抗は、内側領域のオリフィス抵抗を基準として、最外層
から２０倍，８倍，４倍，２倍となっている。第１１実
施例では、多種類のオリフィスを用いる必要があるが、
出力分布に応じた流量配分が可能となり、より大きな熱
的余裕が得られる。

【００７６】《他の実施例》以上の実施例では、燃料集
合体入口オリフィスの抵抗を炉心支持板の開口部の口径
で調節するとした。この方式の代りに、燃料集合体下部
の開口部の口径に差を付けても、冷却水流量の分布を調
節できる。

【００７７】例えば、第７実施例で、濃縮度の低い燃料
集合体ほど下端開口部の口径を小さくすれば、同様の効
果が得られる。この場合は、炉心支持板の開口部の口径
は、炉心の内側の領域では一様にできるので、燃料装荷
の自由度が増えるという利点もある。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、定格流量時はもちろ
ん、ポンプトリップなどにより炉心流量が低下した場合
でも、熱的余裕が増大した原子炉が得られる。増大した
熱的余裕を活用して、従来技術と比べ、熱出力を高め、
発電容量を増やすことができる。また、発電容量を増や
す代わりに、ボイド率を低減させ自然循環時の出力を低
減させると、過渡特性および安定性をより一層改善でき
る。さらに、炉心流量を減らしても、従来技術と同等の
熱的余裕を確保できるので、流量制御幅を拡大してスペ
クトルシフトの効果を強調し、一層の省ウラン化を達成
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用すべき沸騰水型原子炉の再循環系
の系統構成の概略を示す図である。

【図２】図１の沸騰水型原子炉の炉心の構成の一部を示
す図である。

【図３】本発明による原子炉の第１実施例の炉心の１／
４について流量配分を示す図である。

【図４】本発明による原子炉の第２実施例の炉心の１／
４について流量配分を示す図である。

【図５】本発明による原子炉の第３実施例の炉心の１／
４について流量配分を示す図である。

【図６】第３実施例の原子炉の炉心の炉心径方向の流量
分布を示す図である。

【図７】第３実施例の原子炉の炉心の炉心径方向の出力
分布を示す図である。

【図８】本発明による原子炉の第４実施例の炉心の１／
４について流量配分を示す図である。

【図９】本発明による原子炉の第５実施例の炉心の１／
４について流量配分を示す図である。

【図１０】本発明による原子炉の第６実施例の炉心の１
／４について流量配分を示す図である。

【図１１】本発明による原子炉の第７実施例の炉心の１
／４について流量配分を示す図である。

【図１２】本発明による原子炉の第８実施例の炉心の１
／４について流量配分を示す図である。

【図１３】本発明による原子炉の第９実施例の炉心の１
／４について流量配分を示す図である。

【図１４】本発明による原子炉の第１０実施例の炉心の
１／４について流量配分を示す図である。

【図１５】本発明による原子炉の第１１実施例の炉心の
１／４について流量配分を示す図である。

【図１６】炉心半径方向のある位置の燃料集合体で、燃
料集合体当たりの平均冷却水流量が他の領域のそれより
も少なくなるように、炉心入口抵抗を２倍に調節した原
子炉の炉心において、炉心流量が１００％定格流量から
定格流量の約１／３に減少した場合のチャンネル出力ピ
ーキングの変化を示す図である。

【図１７】最外層を除く外側領域すなわち第２層目から
第３層目に装荷された燃料集合体の冷却水流量を減らし
て、出力の比較的高い内側領域に装荷された燃料集合体
の流量を増やすようにオリフィス抵抗に差をつけた原子
炉の炉心において、炉心流量が１００％定格流量から定
格流量の約１／３に減少した場合のチャンネル出力ピー
キングの変化を、外側／内側領域のオリフィス抵抗をパ
ラメータとして示す図である。

【図１８】本発明による原子炉の定格運転時の炉心出力
ピーキング特性を示す図である。

【符号の説明】

１ １サイクル滞在の燃料集合体 ２ ２サイクル滞在の燃料集合体 ３ ３サイクル滞在の燃料集合体 ４ ４サイクル滞在の燃料集合体 ５ 高濃縮度燃料集合体 ６ 中濃縮度燃料集合体 ７ 低濃縮度燃料集合体 ２１ 低流量領域 ２２ 高流量領域 ２３ 極低流量領域 ３０ 被覆管 ３１ 燃料棒 ３２ チャンネルボックス ３３ 吸収棒 ３４ 十字型制御棒 ３５ 燃料ペレット ９５ 原子炉圧力容器 ９６ 炉心 ９７ 中性子計装管 ９８ 流量計 ９９ ポンプ １００ インバータ電源装置 １０２ 流量制御装置 １０３ 冷却水 １０４ 燃料集合体 １０５ 冷却水入口オリフィス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 淳一 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 (72)発明者 守屋 公三明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核分裂性物質を含む複数の燃料集合体を
   層状に束ねた炉心と前記燃料集合体を冷却する冷却水と
   前記冷却水を循環させるポンプと前記燃料集合体当たり
   の前記冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉に
   おいて、 (ａ)前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く前
   記燃料集合体を、第一グループと、前記第一グループよ
   りも燃料集合体当たりの平均冷却水流量を小さくする流
   量調節手段を備えた第二グループとに分類し、かつ、 (ｂ)前記第二グループを、前記炉心の炉心半径に対し７
   ０％よりも外側の領域に装荷したことを特徴とする原子
   炉。
2. 【請求項２】 核分裂性物質を含む複数の燃料集合体を
   層状に束ねた炉心と前記燃料集合体を冷却する冷却水と
   前記冷却水を循環させるポンプと前記燃料集合体当たり
   の前記冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉に
   おいて、 (ａ)前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く前
   記燃料集合体を、第一グループと、前記第一グループよ
   りも燃料集合体当たりの平均冷却水流量が小さくなるよ
   うに冷却水入口オリフィス抵抗の平均値に違いを持たせ
   た第二グループとに分類し、かつ、 (ｂ)前記第二グループの冷却水入口オリフィス抵抗の平
   均値を、前記第一グループの冷却水入口オリフィス抵抗
   の平均値の１.５倍以上としたことを特徴とする原子
   炉。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の原子炉において、 前記第二グループの冷却水入口オリフィス抵抗の平均値
   を、前記第一グループの冷却水入口オリフィス抵抗の平
   均値の５倍以下としたことを特徴とする原子炉。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか一項に記載
   の原子炉において、 前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体当たりの平均
   冷却水流量を、前記第二グループの燃料集合体当たりの
   平均冷却水流量よりもさらに小さくする流量調節手段を
   備えたことを特徴とする原子炉。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか一項に記載
   の原子炉において、 (ａ)少なくとも前記第一グループに装荷される燃料集合
   体を、第三グループと前記第三グループよりも炉内滞在
   期間の長い第四グループとに分類し、 かつ、 (ｂ)前記第四グループの燃料集合体当たりの平均冷却水
   流量を、前記第三グループの燃料集合体当たりの平均冷
   却水流量よりも小さくする流量調節手段を備えたことを
   特徴とする原子炉。
6. 【請求項６】 核分裂性物質を含む複数の燃料集合体を
   層状に束ねた炉心と前記燃料集合体を冷却する冷却水と
   前記冷却水を循環させるポンプと前記燃料集合体当たり
   の前記冷却水の流量を調節する手段とを備えた原子炉に
   おいて、 (ａ)前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く前
   記燃料集合体を、第五グループと前記第五グループより
   も装荷時の平均濃縮度が高い第六グループとに分類し、
   かつ、 (ｂ)前記第五グループの燃料集合体当たりの平均冷却水
   流量を、前記第六グループの燃料集合体当たりの平均冷
   却水流量よりも小さくする流量調節手段を備えたことを
   特徴とする原子炉。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の原子炉において、 炉心支持板の前記第五グループの燃料集合体を装荷する
   部分で、前記第五グループの前記流量調節手段の開口部
   口径を、前記第六グループの燃料集合体を装荷する部分
   よりも小さくしたことを特徴とする原子炉。
8. 【請求項８】 請求項６または７に記載の原子炉におい
   て、 (ａ)前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体を除く前
   記燃料集合体を第一グループと、前記第一グループより
   も燃料集合体当たりの平均冷却水流量を小さくする流量
   調節手段を備えた第二グループとに分類し、かつ、 (ｂ)前記第二グループを、前記炉心の炉心半径に対し７
   ０％よりも外側の領域に装荷したことを特徴とする原子
   炉。
9. 【請求項９】 請求項６ないし８のいずれかに記載の原
   子炉において、 前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体当たりの平均
   冷却水流量を、前記第五グループの燃料集合体当たりの
   平均冷却水流量よりもさらに小さくする流量調節手段を
   備えたことを特徴とする原子炉。
10. 【請求項１０】 請求項１，２，３，４，５，または８
    のいずれか一項に記載の原子炉において、 炉心支持板の前記第二グループの燃料集合体を装荷する
    部分で、前記流量調節手段の開口部口径を、前記第一グ
    ループの燃料集合体を装荷する部分よりも小さくしたこ
    とを特徴とする原子炉。
11. 【請求項１１】 請求項５に記載の原子炉において、 炉心支持板の前記第四グループの燃料集合体を装荷する
    部分で、前記流量調節手段の開口部口径を、前記第三グ
    ループの燃料集合体を装荷する部分よりも小さくしたこ
    とを特徴とする原子炉。
12. 【請求項１２】 請求項１，２，３，４，または８のい
    ずれか一項に記載の原子炉において、 第二グループの燃料集合体で、前記流量調節手段として
    燃料集合体下部に設けた冷却水入口オリフィス抵抗を、
    前記第一グループの燃料集合体よりも大きくしたことを
    特徴とする原子炉。
13. 【請求項１３】 請求項６，８，または９のいずれか一
    項に記載の原子炉において、 第五グループの燃料集合体で、前記流量調節手段として
    燃料集合体下部に設けた冷却水入口オリフィス抵抗を、
    前記第六グループの燃料集合体よりも大きくしたことを
    特徴とする原子炉。
14. 【請求項１４】 請求項５に記載の原子炉において、 第四グループの燃料集合体で、前記流量調節手段として
    燃料集合体下部に設けた冷却水入口オリフィス抵抗を、
    第三グループの燃料集合体よりも大きくしたことを特徴
    とする原子炉。
15. 【請求項１５】 請求項５，１１，または１４のいずれ
    かに一項に記載の原子炉において、 前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体当たりの平均
    冷却水流量を、前記第四グループの燃料集合体当たりの
    平均冷却水流量よりもさらに小さくする流量調節手段を
    備えたることを特徴とする原子炉。
16. 【請求項１６】 請求項６，７，８，９，または１３の
    いずれか一項に記載の原子炉において、 前記炉心の最外層に装荷される燃料集合体当たりの平均
    冷却水流量を、前記第五グループの燃料集合体当たりの
    平均冷却水流量よりもさらに小さくする流量調節手段を
    備えたことを特徴とする原子炉。